(57)【要約】付加製造された物品は一般に、積み重ねて融解された複数のスライスであって、複数のスライスのうちの少なくとも１つが、第１の微細構造を含む第１の部分、および第２の微細構造を含む第２の部分を有する、複数のスライスを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末床付加製造システムを使用して粉末による所与の材料中で立体物品を製造する際に使用する処理命令を生成する、コンピュータにより実装される方法であって、
前記物品のモデルを取得するステップと、
前記モデルの第１の領域に関する前記材料の第１の微細構造についての通知を受領するステップであって、前記第１の微細構造が、凝固データに基づく第１の冷却速度しきい値に関連する、受領するステップと、
前記第１の領域に関連する第１のエネルギーパルスシーケンスを決定するステップであって、各エネルギーパルスのパラメータが、粉末材料を溶融するように、かつ凝固中の前記材料に関する、前記第１の冷却速度しきい値を上回る冷却速度を達成するように適合される、決定するステップと、
前記第１のエネルギーパルスシーケンスに基づいて前記処理命令を生成するステップと
を具備する方法。
【請求項２】
前記第１の領域に関連する前記第１のパルスシーケンスを決定するステップは、エネルギーパルスごとに、前記エネルギーパルスによって溶融される前記粉末材料に隣接する材料の温度を考慮に入れるステップを具備する
請求項１に記載のコンピュータにより実装される方法。
【請求項３】
前記第１の領域に関連する前記第１のパルスシーケンスを決定するステップは、エネルギーパルスごとに、以前または後続のエネルギーパルスによる冷却によって、また加熱によって影響を及ぼされる、前記隣接する材料の温度を考慮に入れるステップを具備する
請求項２に記載のコンピュータにより実装される方法。
【請求項４】
前記第１の領域に関連する前記第１のパルスシーケンスを決定するステップは、前記シーケンスの各エネルギーパルスを、前記エネルギーパルスの時間における前記隣接する材料の温度が、以前および／または後続のエネルギーパルスによる大した影響を与えられていないような時間および／または距離という点で隔置するステップを具備する
請求項２に記載のコンピュータにより実装される方法。
【請求項５】
隣接する材料にエネルギーパルスが印加されるまでの最小時間および／または後続のエネルギーパルスに関する最小距離が、前記エネルギーパルスを通じて付加される熱がそれを経て前記粉末材料の局所加熱に大した影響を与えない時間および／または距離に基づいて決定される
請求項４に記載のコンピュータにより実装される方法。
【請求項６】
前記第１の領域に関連する前記第１のパルスシーケンスは、どのように各エネルギーパルスからの最小距離が時間とともに変化するかを定める、時間−距離関係から決定される
請求項５に記載のコンピュータにより実装される方法。
【請求項７】
前記エネルギーパルスが印加された溶融されたボクセルの前記冷却速度は、前記隣接する材料が所与の温度差許容範囲内にあることに基づいて決定される
請求項２乃至６のいずれか一項に記載のコンピュータにより実装される方法。
【請求項８】
前記所与の温度差許容範囲は、前記粉末材料の周囲温度の予め決定された許容範囲内である
請求項７に記載のコンピュータにより実装される方法。
【請求項９】
前記隣接する材料の温度は４００Ｋ以下である
請求項７または８に記載のコンピュータにより実装される方法。
【請求項１０】
前記モデルの第２の領域に関する前記材料の第２の微細構造についての通知を受領するステップであって、前記第２の微細構造が、凝固データに基づく第２の冷却速度しきい値に関連する、受領するステップと、
前記第２の領域に関連する第２のエネルギーパルスシーケンスを決定するステップであって、各エネルギーパルスのパラメータが、粉末材料を溶融するように、かつ凝固中の前記材料に関する、前記第２の冷却速度しきい値を上回る冷却速度を達成するように適合される、決定するステップと
をさらに具備し、
前記処理命令を前記生成するステップは、前記第２のエネルギーパルスシーケンスにさらに基づく
請求項１乃至９のいずれか一項に記載のコンピュータにより実装される方法。
【請求項１１】
前記第２の領域に関連する前記第２のパルスシーケンスを決定するステップは、エネルギーパルスごとに、前記エネルギーパルスによって溶融される前記粉末材料に隣接する材料の温度を考慮に入れるステップを具備する
請求項１０に記載のコンピュータにより実装される方法。
【請求項１２】
前記第２の領域に関連する前記第２のパルスシーケンスを決定するステップは、エネルギーパルスごとに、以前または後続のエネルギーパルスによる冷却によって、また加熱によって影響を及ぼされる、前記隣接する材料の温度を考慮に入れるステップを具備する
請求項１０または１１に記載のコンピュータにより実装される方法。
【請求項１３】
前記第１のシーケンスの各エネルギーパルスの前記パラメータは、前記第１の冷却速度しきい値を上回りかつ前記第２の冷却速度しきい値を下回る冷却速度を達成するように適合される請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載のコンピュータにより実装される方法。
【請求項１４】
前記微細構造は、結晶構造を含む請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のコンピュータにより実装される方法。
【請求項１５】
前記微細構造は、結晶構造サイズを含む請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のコンピュータにより実装される方法。
【請求項１６】
前記第１のシーケンスの各エネルギーパルスの前記パラメータは、パルス形状およびパルスエネルギーを含む請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のコンピュータにより実装される方法。
【請求項１７】
粉末床付加製造システムを使用して粉末による所与の材料中で立体物品を製造する方法であって、
請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の処理命令を受領するステップと、
前記受領された処理命令に基づいて、前記立体物品の各スライスを積み重ねて連続して製造するステップと
を具備する方法。
【請求項１８】
積み重ねて融解された複数のスライスであって、前記複数のスライスのうちの少なくとも１つが、第１の微細構造を含む第１の部分、および第２の微細構造を含む第２の部分を有する、複数のスライスを具備する付加製造された物品。
【請求項１９】
複数の第１の部分が、前記複数のスライスのうちの重合わせされたもの同士の間に延在し、複数の第２の部分が、前記複数のスライスのうちの重合わせされたもの同士の間に延在する請求項１８に記載の付加製造された物品。
【請求項２０】
前記複数の第１の部分は、前記複数の第２の部分の機械的性質よりも大きい機械的性質を有する請求項１９に記載の付加製造された物品。
【請求項２１】
前記機械的性質は、降伏強度である請求項２０に記載の付加製造された物品。
【請求項２２】
前記複数の第１の部分は部品を形成し、前記複数の第２の部分は前記部品の支持構造を形成する請求項１８乃至２１のいずれか一項に記載の付加製造された物品。
【請求項２３】
付加製造システムであって、
選択的レーザ溶融システムおよび電子ビーム溶融システムのうちの一方と、
前記選択的レーザ溶融システムおよび前記電子ビーム溶融システムのうちの前記一方に結合され、
物品のモデルを取得すること、
前記モデルの第１の領域に関する材料の第１の微細構造についての通知を受領することであって、前記第１の微細構造が、凝固データに基づく第１の冷却速度しきい値に関連する、受領すること
前記第１の領域に関連する第１のエネルギーパルスシーケンスを決定することであって、各エネルギーパルスのパラメータが、粉末材料を溶融するように、かつ凝固中の前記材料に関する、前記第１の冷却速度しきい値を上回る冷却速度を達成するように適合される、決定すること、および
前記第１のエネルギーパルスシーケンスに基づいて処理命令を生成すること
を行うように構成された、コンピュータと
を具備する付加製造システム。
【請求項２４】
前記コンピュータは、前記第１の領域に関連する前記第１のパルスシーケンスを決定することを、エネルギーパルスごとに、前記エネルギーパルスによって溶融される前記粉末材料に隣接する材料の温度を考慮に入れることによって行うように構成される
請求項２３に記載の付加製造システム。
【請求項２５】
前記コンピュータは、前記第１の領域に関連する前記第１のパルスシーケンスを決定することを、以前または後続のエネルギーパルスによる冷却によって、また加熱によって影響を及ぼされる、前記隣接する材料の温度を考慮に入れることによって行うように構成される
請求項２４に記載の付加製造システム。
【請求項２６】
前記コンピュータは、
前記モデルの第２の領域に関する前記材料の第２の微細構造についての通知を受領することであって、前記第２の微細構造が、凝固データに基づく第２の冷却速度しきい値に関連する、受領することと、
前記第２の領域に関連する第２のエネルギーパルスシーケンスを決定することであって、各エネルギーパルスのパラメータが、粉末材料を溶融するように、かつ凝固中の前記材料に関する、前記第２の冷却速度しきい値を上回る冷却速度を達成するように適合される、決定することと
を行うように構成され、
処理命令を前記生成することは、前記レーザエネルギーシーケンスにさらに基づく
請求項２３に記載の付加製造システム。
【請求項２７】
前記コンピュータは、前記第２の領域に関連する前記第２のパルスシーケンスを決定することを、エネルギーパルスごとに、前記エネルギーパルスによって溶融される前記粉末材料に隣接する材料の温度を考慮に入れることによって行うように構成される
請求項２６に記載の付加製造システム。
【請求項２８】
前記コンピュータは、前記第１の領域に関連する前記第２のパルスシーケンスを決定することを、以前または後続のエネルギーパルスによる冷却によって、また加熱によって影響を及ぼされる、前記隣接する材料の温度を考慮に入れることによって行うように構成される
請求項２７に記載の付加製造システム。
【請求項２９】
前記第１のシーケンスの各エネルギーパルスの前記パラメータは、前記第１の冷却速度しきい値を上回りかつ前記第２の冷却速度しきい値を下回る冷却速度を達成するように適合される請求項２６に記載の付加製造システム。
【請求項３０】
粉末床付加製造システムを使用して粉末による所与の材料中で立体物品を製造する際に使用する処理命令を生成する、コンピュータにより実装される方法であって、
前記物品のモデルを取得するステップと、
前記モデルの第１の領域に関する前記材料の第１の微細構造についての通知を受領するステップであって、前記第１の微細構造が、凝固データに基づく第１の降伏応力しきい値に関連する、受領するステップと、
前記第１の領域に関連する第１のエネルギーパルスシーケンスを決定するステップであって、各エネルギーパルスのパラメータが、粉末を溶融するように、かつ１である、または前記第１の降伏応力しきい値を上回るかもしくは下回る、関連する降伏応力を有する微細構造を達成するように適合される、決定するステップと、
前記第１のエネルギーパルスシーケンスに基づいて前記処理命令を生成するステップと
を具備する方法。
【請求項３１】
前記第１の領域に関連する前記第１のパルスシーケンスを決定するステップは、エネルギーパルスごとに、前記エネルギーパルスによって溶融される前記粉末材料に隣接する材料の微細構造および関連する降伏応力を考慮に入れるステップを具備する
請求項３０に記載のコンピュータにより実装される方法。
【請求項３２】
前記第１の領域に関連する前記第１のパルスシーケンスを決定するステップは、エネルギーパルスごとに、以前または後続のエネルギーパルスによる溶融によって、また凝固によって影響を及ぼされる、前記隣接する材料の温度を考慮に入れるステップを具備する
請求項３１に記載のコンピュータにより実装される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本改良は一般に、付加製造システムに関し、より詳細には、粉末床付加製造システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
付加製造技法は、今日の世界において、ラピッドプロトタイピングおよび／またはラピッドマニュファクチャリングなどの応用例向けの立体物品（solid article）を製造するのに広く使用されている。いくつかの応用例では、物品はそのままで使用されることがあり、一方、いくつかの他の応用例では、物品は、より大きい組立体で使用する部品またはコンポーネントである場合がある。さらに他の応用例では、製造された物品の部分のみが使用され、使用されない部分は、製造中に、使用される部分を支持するのに使用され、その後廃棄される。
【０００３】
粉末床付加製造技法は、付加製造技法のサブグループであり、それには、粉末状の材料を堆積させることが含まれる。そのような技法の例が、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）および電子ビーム溶融（ＥＢＭ）であり、そのどちらにも、粉末を融点を上回って加熱して、溶融された粉末の凝固を引き起こすことが含まれる。
【０００４】
既存の粉末床付加製造システムは、ある程度満足のゆくものであるが、改良の余地が残っている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、粉末からの物品の層の作製中に、層の、異なる微細構造を有する２つ以上の部分を作製するシーケンスにおいて、エネルギーパルスパラメータおよび／またはラスタパラメータ（例えばスピードおよび／または経路）がそれによって変更され得る粉末床付加製造技法について説明する。異なる微細構造はそれぞれに対応する異なる機械的性質を有し得る。したがって、本方法は、物品内の対応する微細構造の位置に応じて変わる機械的性質を有する、単一材料からなる物品の製造に役立てられ得る。
【０００６】
態様によれば、粉末床付加製造システムを使用して粉末による所与の材料中で立体物品を製造する際に使用する処理命令を生成する、コンピュータにより実装される方法であって、物品のモデルを取得することと、モデルの第１の領域に関する材料の第１の微細構造についての通知を受領することであって、第１の微細構造が、凝固データに基づく第１の冷却速度しきい値に関連する、受領することと、第１の領域に関連する第１のエネルギーパルスシーケンスを決定することであって、各エネルギーパルスのパラメータが、粉末材料を溶融するように、かつ凝固中の材料に関する、第１の冷却速度しきい値を上回る冷却速度を達成するように適合される、決定することと、第１のエネルギーパルスシーケンスに基づいて処理命令を生成することとを具備する方法が提供される。
【０００７】
第１のエネルギーパルスシーケンスを決定することは、エネルギーパルスごとに、そのエネルギーパルスによって溶融される粉末材料に隣接する材料の温度を考慮に入れることを具備してよい。第１の領域に関連する第１のパルスシーケンスを決定することは、エネルギーパルスごとに、以前または後続のエネルギーパルスによる冷却によって、また加熱によって影響を及ぼされる、隣接する材料の温度を考慮に入れることを具備してよい。第１の領域に関連する第１のパルスシーケンスを決定することは、エネルギーパルスごとに、粉末材料を溶融するのに使用される以前または後続のエネルギーパルスによる冷却によって、また加熱によって影響を及ぼされる、隣接する材料の温度を考慮に入れることを具備してよい。第１の領域に関連する第１のパルスシーケンスを決定することは、シーケンスの各エネルギーパルスを、そのエネルギーパルスの時間における隣接する材料の温度が、以前および／または後続のエネルギーパルスによる大した影響を与えられていないような時間および／または距離という点で隔置することを具備してよい。エネルギーパルスが印加された材料のボクセルから隣接する材料への熱伝達、したがって冷却速度は、隣接する材料が、粉末材料の周囲温度の予め決定された許容範囲内など、所与の温度差許容範囲内にあること、例えば４００Ｋ以下であることに基づいて決定されてよい。隣接する材料の温度許容範囲は、材料に応じて異なる。このようにして、溶融された材料からの熱伝達は、以前または後続のエネルギーパルスによって行われる粉末材料の加熱とは無関係に決定され得る。隣接する材料にエネルギーパルスが印加されるまでの最小時間および／または後続のエネルギーパルスに関する最小距離が、そのエネルギーパルスを通じて付加される熱がそれを経て粉末材料の局所加熱にそのような大した影響を与えない時間および／または距離に基づいて決定されてよい。第１の領域に関連する第１のパルスシーケンスは、どのように各エネルギーパルスからの最小距離が時間とともに変化するかを定める、時間−距離関係から決定されてよい。各エネルギーパルスに関する最小時間、最小距離、および／または時間−距離関係は、溶融された材料からの熱伝達および溶融された材料への熱入力に影響を及ぼす、粉末材料のタイプ、粉末層の厚さ、造形された材料の体積、エネルギーパルスのエネルギー密度などの、エネルギーパルスのエネルギー、パルス形状、パルス幅、パルス振幅、パルス周波数、パワーランプアップパラメータ、パワーランプダウンパラメータ、およびエネルギーパルスの持続時間のうちの１つまたは複数などの要因を考慮して決定されてよい。
【０００８】
別の態様によれば、粉末床付加製造システムを使用して粉末による所与の材料中で立体物品を製造する方法であって、前述された処理命令を受領することと、受領された処理命令に基づいて、立体物品の各スライスを積み重ねて連続して製造することとを具備する方法が提供される。
【０００９】
別の態様によれば、積み重ねて融解された複数のスライスであって、複数のスライスのうちの少なくとも１つが、第１の微細構造を含む第１の部分、および第２の微細構造を含む第２の部分を有する、複数のスライスを具備する付加製造された物品が提供される。
【００１０】
別の態様によれば、付加製造システムであって、選択的レーザ溶融システムおよび電子ビーム溶融システムのうちの一方と、選択的レーザ溶融システムおよび電子ビーム溶融システムのうちの一方に結合され、物品のモデルを取得すること、モデルの第１の領域に関する材料の第１の微細構造についての通知を受領することであって、第１の微細構造が、凝固データに基づく第１の冷却速度しきい値に関連する、受領すること、第１の領域に関連する第１のエネルギーパルスシーケンスを決定することであって、各エネルギーパルスのパラメータが、粉末材料を溶融するように、かつ凝固中の材料に関する、第１の冷却速度しきい値を上回る冷却速度を達成するように適合される、決定すること、および第１のエネルギーパルスシーケンスに基づいて処理命令を生成することを行うように構成された、コンピュータとを具備する付加製造システムが提供される。
【００１１】
コンピュータは、第１の領域に関連する第１のパルスシーケンスを決定することを、エネルギーパルスごとに、そのエネルギーパルスによって溶融される粉末材料に隣接する材料の温度を考慮に入れることによって行うように構成されてよい。コンピュータは、第１の領域に関連する第１のパルスシーケンスを決定することを、以前または後続のエネルギーパルスによる冷却によって、また加熱によって影響を及ぼされる、隣接する材料の温度を考慮に入れることによって行うように構成されてよい。
【００１２】
別の態様によれば、粉末床付加製造システムを使用して粉末による所与の材料中で立体物品を製造する際に使用する処理命令を生成する、コンピュータにより実装される方法であって、物品のモデルを取得することと、モデルの第１の領域に関する材料の第１の微細構造についての通知を受領することであって、第１の微細構造が、凝固データに基づく第１の降伏応力しきい値に関連する、受領することと、第１の領域に関連する第１のエネルギーパルスシーケンスを決定することであって、各エネルギーパルスのパラメータが、粉末を溶融するように、かつ１である、または第１の降伏応力しきい値を上回るかもしくは下回る、関連する降伏応力を有する微細構造を達成するように適合される、決定することと、第１のエネルギーパルスシーケンスに基づいて処理命令を生成することとを具備する方法が提供される。
【００１３】
第１のエネルギーパルスシーケンスを決定することは、エネルギーパルスごとに、そのエネルギーパルスによって溶融される材料に隣接する材料の微細構造および関連する降伏応力を考慮に入れることを具備してよい。第１のエネルギーパルスシーケンスを決定することは、エネルギーパルスごとに、以前または後続のエネルギーパルスによる溶融によって、また凝固によって影響を及ぼされ得る、そのエネルギーパルスによって溶融される材料に隣接する材料の微細構造および関連する降伏応力を考慮に入れることを具備してよい。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、粉末床付加製造システムを使用して粉末による所与の材料中で立体物品を製造する際に使用する処理命令を生成する、コンピュータにより実装される方法であって、
物品のモデルを取得することと、
付加製造装置を使用して物品を形成するためのエネルギーパルスシーケンスを決定することであって、シーケンスの各エネルギーパルスのパラメータが、伝導モードで粉末を加熱することによって粉末が溶融されるように決定される、決定することと、
第１のエネルギーパルスシーケンスに基づいて処理命令を生成することとを具備する方法が提供される。
【００１５】
シーケンスの各エネルギーパルスのパラメータおよび／またはエネルギーパルスシーケンスは、キーホールモードにおける粉末の著しい加熱が起こらないように決定されてよい。
【００１６】
シーケンスの各エネルギーパルスのパラメータおよび／またはエネルギーパルスシーケンスは、凝固前面速度（solidification front velocity）および／または冷却速度が、粉末をエネルギーパルスで加熱することによって形成される、溶融された材料の液膜を分断するのに十分となるように決定されてよい。シーケンスの各エネルギーパルスのパラメータおよび／またはエネルギーパルスシーケンスは、凝固前面速度および／または冷却速度が、予め決定されたしきい値を上回るように決定されてよい。予め決定されたしきい値は、溶融された材料の凝固前面速度が１０-1ｍ／ｓを上回るようなものでよい。
【００１７】
「コンピュータ」という表現は、本明細書では、限定的に解釈されるべきではないことが理解されよう。そうではなくそれは、広い意味で、何らかの形態の１つまたは複数の処理ユニットと、処理ユニットによってアクセス可能な何らかの形態のメモリシステムとの組合せを一般に指すのに使用される。コンピュータは、ネットワークノード、パーソナルコンピュータ、スマートフォン、機器コンピュータなどとすることができる。
【００１８】
コンピュータの、またはより具体的には、処理ユニットのもしくはメモリコントローラのさまざまな機能は、ハードウェアによって、ソフトウェアによって、または両方の組合せによって実施され得ることが理解されよう。例えば、ハードウェアは、プロセッサのシリコンチップの一部として含まれた論理ゲートを含むことができる。ソフトウェアは、メモリシステム内に記憶されたコンピュータ可読命令などのデータの形態をとることができる。コンピュータ、処理ユニット、メモリコントローラ、またはプロセッサチップに関して、「ように構成された」という表現は、関連する機能を実施するように動作可能なハードウェア、ソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアとの組合せが有ることに関係する。
【００１９】
「ボクセル」という表現は、本明細書では、限定的に解釈されるべきではないことが理解されよう。そうではなくそれは、広い意味で、体積要素であって、３次元座標内でのそのポジションが、例えば、体積要素と関連する３次元座標データまたは体積要素がデータセット内で出現する順序のため決定され得る体積要素を一般に指すのに使用される。体積要素は、部分的に重なり合ってよく、したがって、非埋め尽くし（non-tessellating）体積を具備してよい。隣接するボクセルは、関心ボクセルと境界線を共有するかまたは部分的に重なり合うボクセルであってよい。ボクセルは、エネルギーパルスによって生成される溶融池を近似してよい。
【００２０】
本改良に関わる多くのさらなる特徴およびその組合せが、当業者には本開示を読んだ後で明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
図では、以下の通りである。
【００２２】
【図１】実施形態による、選択的レーザ溶融システムの例の概略図である。
【図１Ａ】実施形態による、ボクセル複数物（a plurality of voxels）の例の概略上面図である。
【図２】複数のアイランド（island）を示す、従来のラスタ経路の概略上面図である。
【図３】実施形態による、図１の選択的レーザ溶融システムを使用して粉末による所与の材料中で立体物品を製造する例示的方法のフローチャートである。
【図４】実施形態による、図１の選択的レーザ溶融システムを使用して粉末による所与の材料中で立体物品を製造する際に使用する処理命令を生成する方法の例のフローチャートである。
【図５】実施形態による、凝固データの第１の例のグラフである。
【図６】実施形態による、対応する形状を有するレーザパルスを生成するのに使用可能なパルス形状を示すグラフである。
【図７】実施形態による、異なるパラメータを使用して生成されたレーザパルスを使用して加熱されたときの溶融されたボクセルの冷却と関連する、冷却曲線を示すグラフである。
【図８】図４の方法を実装するための例示的コンピュータのブロック図である。
【図９】実施形態による、凝固データの第２の例のグラフである。
【図１０】実施形態による、凝固データの第３の例のグラフである。
【図１１】実施形態による、Ｈｕｎｔの基準（Hunt's criterion）を示す凝固データの第４の例のグラフである。
【図１２Ａ】実施形態による、異なる微細構造を各部分が有する第１の部分および第２の部分を有するスライスの斜視図である。
【図１２Ｂ】実施形態による、ボクセル複数物のボクセルの第１および第２の領域であって、図１２Ａの第１および第２の部分のそれぞれに対応するものがその各々と関連する、第１および第２の領域の概略上面図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｂのボクセルの第１の領域を溶融して図１２Ａの第１の部分を製造するのに使用される、第１のレーザパルスシーケンスの概略上面図である。
【図１２Ｄ】図１２Ｂのボクセルの第２の領域を溶融して図１２Ａの第２の部分を製造するのに使用される、第２のレーザパルスシーケンスの概略上面図である。
【図１３】部品および支持構造を含む物品を示す、図１のＳＬＭシステムの断側面図である。
【図１４】実施形態による、処理命令を生成するための例示的アルゴリズムのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
その例が図１の１０に示されている粉末床付加製造システムは、所与の物品１２を３Ｄモデルに従って交互積層配置（layer-by-layer arrangement）の形で製造する。
【００２４】
いくつかの実施形態では、粉末床付加製造システムは、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）システムであり、一方、いくつかの他の実施形態では、粉末床付加製造システムは、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）システムである。これらのシステムはどちらも、立体物品１２を製造するために、エネルギーパルスを粉末にもたらすように構成される。ＳＬＭシステムの場合には、これらのエネルギーパルスは、レーザパルスである。ＥＢＭシステムの場合には、これらのエネルギーパルスは、電子ビームパルスである。
【００２５】
読みやすくするために、以下のパラグラフにおいて説明される粉末床付加製造システム１０は、ＳＬＭシステム（以後「ＳＬＭシステム１０」）である。しかし、本明細書において説明される方法およびシステムには、ＥＢＭシステムを含んでよいことが理解されよう。他の実施形態が当てはまることもある。
【００２６】
付加製造技法では、３Ｄモデルがコンピュータ１１によって、複数の水平方向ボクセル複数物にそれを分割するように処理される。理解しやすくするために、それらのボクセル複数物のうちの第１のものの上面図が、図１Ａの１４に示されている。したがって、物品１２の各スライスは、対応するボクセル複数物に基づいて製造され、下にあるスライスと融解されて、密な強い物品を製造する。したがって、そのように製造された物品１２は、凝固された粉末からなる重合わせおよび融解された複数のスライス１６を含む。
【００２７】
ＳＬＭシステム１０は、ベースプレート２０を含み、その上に粉末１８の第１の層が、粉末堆積機構２２を使用して堆積される、と大まかに説明される。次いで、粉末１８の第１の層上にレーザビーム２４が、レーザ走査サブシステム２６（例えばレーザ源２８および１つまたは複数の走査ミラー３０を含む）を使用してレーザビーム２４を粉末１８の第１の層上に、より具体的には、第１の複数物１４の各ボクセル内の粉末上に向け直すように、走査される。各ボクセル（以後「各ボクセル」）内の、レーザビーム２４を受領する粉末は、加熱され、溶融し、次いで冷却し、それによって、第１の複数物１４の隣接するボクセルとともに、物品１２の第１のスライスに凝固する。次いで、ピストン３２が所与の垂直距離のベースプレート２０を降下させ、第１のスライスを覆って粉末１８の第２の層が堆積され、第１のスライスの上に物品１２の第２のスライスが、ボクセル複数物のうちの第２のものの各ボクセルを選択的にレーザ走査することによって製造され、物品１２が完成するまで以下同様である。
【００２８】
複数物の各ボクセルがレーザ走査サブシステム２６によって走査されるシーケンスは、「ラスタ経路」と呼ばれることに留意されたい。ボクセル複数物のラスタ経路は通常、コンピュータ１１によって決定され、それはスライスごとに異なってよい。
【００２９】
例として、ボクセルの例示的複数物３６と関連する従来のラスタ経路３４の例が、図２に示されている。より具体的には、従来のラスタ経路３４は、アイランド内に配置された複数の矢印によって図示されている。見られ得るように、従来のラスタ経路３４は、複数物３６の各ボクセルをできるだけ迅速に十分に加熱し、溶融するように、ジグザグタイプのレーザ走査パターンを含む。実際、従来のラスタ経路は、所与のボクセル複数物のボクセルの各々を所与のスピードで走査するレーザ走査時間を低減させるように、効率ベースで決定される。たいていの場合、この所与のスピードとは、最適なスピード、すなわち満足のゆく品質の物品をもたらすことのできる最大スピードである。
【００３０】
レーザ源２８は、パルス波（ＰＷ）レーザ源とすることができ、それはＰＷレーザビームを生成するものであり、従来のラスタ経路３４は典型的に、見やすくするために一番上の左端のアイランド３８内にのみ最も良く示されているように、レーザパルスが連続して向けられるボクセルのシリーズの座標を含む。しかし、変調連続波（ＣＷ）レーザなど、他のタイプのレーザシステムが、レーザパルスのシリーズを生成するのに使用されてよい。
【００３１】
したがって、図３は、ＳＬＭシステム１０を使用して粉末による所与の材料中で立体物品を製造する方法３００のフローチャートの例である。図示されているように、ステップ３０２において、コンピュータが処理命令を受領し、ステップ３０４において、受領された処理命令に基づいて、ＳＬＭ１０が立体物品の各スライスを積み重ねて連続して製造する。理解されるように、従来の技法では、処理命令は、ボクセル複数物の３Ｄモデルならびに従来のラスタ経路３４に基づいている。
【００３２】
物理学では、所与のボクセル（以後「溶融されたボクセル」）内の溶融された粉末の冷却速度が、所与のボクセル（以後「凝固されたボクセル」）内の凝固された粉末の最終微細構造を定めるということ、および凝固されたボクセルの最終微細構造が、その機械的性質を示すということを教示している。冷却速度ＣＲは一般に、凝固前面速度Ｒと熱的勾配Ｇとの積、すなわちＣＲ＝Ｒ・Ｇによって与えられる。１つの冷却速度ＣＲについて、ＲとＧの多数の組合せが存在する。
【００３３】
当然のことながら、複数物の溶融されたボクセルの各々の冷却速度は、対応するスライスが凝固するときのその機械的性質に影響し得、したがって、物品の複数物の各々の、溶融されたボクセルの各々の冷却速度は、最終物品の機械的性質に影響し得る。
【００３４】
したがって、物品の機械的性質がＳＬＭシステムによって制御されるべき場合、物品の各ボクセルの冷却速度は重要である。
【００３５】
しかし、従来のＳＬＭシステムでは、各溶融されたボクセルの冷却への考慮がされていないことが見いだされた。実際、従来のラスタ経路（例えば従来のラスタ経路３４）は、効率ベースで決定されているにすぎないので、各溶融されたボクセルは、その周囲のものの温度に応じて異なる形で冷却し、したがって、所与のボクセル（以後「所与のボクセル」）内の粉末は典型的に、隣接する溶融されたボクセルの温度のため、変動する冷却速度または制御されていない冷却速度で冷却し、そのことが、所与のボクセルの最終微細構造の制御を妨げている。
【００３６】
ｉ）複数物１４の各ボクセルを、所与のボクセルが後に、最終微細構造と関連する期待される冷却速度で冷却するように、それを所与の温度に溶融するように特定的に選ばれたパラメータを用いて生成されたレーザパルスを使用して溶融することによって、またｉｉ）任意の隣接するボクセルが所与の温度差許容範囲内（例えば４００Ｋ以下）の温度を有する間に、複数物１４の各溶融されたボクセルが後に、最終微細構造と関連する期待される冷却速度で冷却するように、注意深く決定されたレーザパルスシーケンスを使用することによって、ＳＬＭシステム１０は、最終微細構造に凝固されたスライスを製造できることが見いだされた。
【００３７】
図４は、ＳＬＭシステム１０を使用して粉末による所与の材料中で立体物体を製造する際に使用する、図３の方法３００のステップ３０２において受領されたもののような処理命令を生成する、コンピュータにより実装される方法４００のフローチャートの例である。したがって、読みやすくするために、方法４００の説明全体を通して、図１のＳＬＭシステム１０が参照される。
【００３８】
方法４００は、物品１２のスライスを製造するための処理命令を生成するのに使用される。しかし、方法４００は、物品１２の全てのスライスを製造するための処理命令を生成すべく、連続して使用されるかまたは一般化され得る。方法４００は、単に話を簡単にする目的で、物品１２の単一スライスの製造に即して説明される。
【００３９】
ステップ４０２において、コンピュータ１１が、図１Ａに示されているボクセルの複数物２４などのボクセル複数物を含む、物品１２のモデルを取得する。所与の複数物のボクセルは一般に、平面内にある。モデルは、「平面内」ボクセルの、１つまたは複数の複数物を含むことができる。
【００４０】
ステップ４０４において、コンピュータ１１は、ボクセルの領域に関する材料の最終微細構造についての通知を受領する。最終微細構造は、凝固データに基づく少なくとも１つの冷却速度しきい値に関連し、領域のボクセル内の粉末がそれに凝固されることが期待される微細構造を表す。
【００４１】
理解されるように、ボクセルの複数物１４は、必ずしも、図１Ａに示されているものなどの、正方行列状のボクセルである必要はない。実際、ボクセルの複数物１４は、相互の関連において平面内にあるボクセルのいかなる構成も有することができる。ボクセルの複数物の構成は、製造される物品の形状に応じて異なる。
【００４２】
いくつかの実施形態では、ステップ４０４において言及された領域が、ボクセルの複数物２４にわたって延在する。いくつかの他の実施形態では、下に説明されるように、領域は、ボクセルの複数物２４のほんの一部分だけにわたって延在する。
【００４３】
通知は、コンピュータ１１のユーザインターフェースから受領され得る。ユーザインターフェースの例は、キーボード、マウス、タッチスクリーン、ボタン、または他の任意の適切なユーザインターフェースを含み得る。代替的実施形態では、通知は、コンピュータ１１が通信する（例えば有線接続、ワイヤレス接続）、ネットワーク（例えばインターネット）から受領され得る。
【００４４】
いくつかの実施形態では、粉末がそれに凝固されることが期待される微細構造は、凝固されたボクセルの結晶構造を指す。例として、凝固されたボクセルの微細構造の結晶構造は、合金組成に応じてデンドライト状またはセル状でよい。
【００４５】
代替的実施形態では、粉末がそれに凝固されることが期待される微細構造は、凝固されたボクセルの主要相を指す。
【００４６】
しかし、いくつかの他の実施形態では、粉末がそれに凝固されることが期待される微細構造は、凝固されたボクセルの所与の結晶構造のサイズ（すなわち「結晶構造サイズ」）を指す。結晶構造サイズは、粒径、デンドライトサイズ、またはセルサイズとすることができる。
【００４７】
溶融されたボクセルがそれに凝固する微細構造を選択することは、凝固されたボクセルの機械的性質を決定する助けとなることができる。降伏強度、硬度、および靭性は、微細構造による影響を与えられ得る機械的性質の例である。他の機械的性質も、微細構造による影響を与えられることがある。
【００４８】
例として、結晶構造の降伏強度σｙは、ホールペッチの関係（Hall Petch relationship）に従って、粒径ｄの逆数の関数として変わり、ただしσｙ∝１／ｄ1/2である。実際、この例では、微細構造の粒径が微細になるほど、この微細構造の降伏強度が高くなる。凝固されたボクセルの結晶構造および相も、凝固されたボクセルの降伏強度に影響を与えることがある。
【００４９】
そのような凝固データの例は、連続冷却変態（ＣＣＴ）データ、時間依存核形成モデル、凝固成長データ（例えばＫｕｒｚ−Ｇｉｏｖａｎｏｌａ−Ｔｒｉｖｅｄｉ（ＫＧＴ）データ）、Ｈｕｎｔの基準のデータ、処理マップ、またはそれらの任意の組合せを含み得る。
【００５０】
凝固データは、粉末の材料と本質的に結び付いており、いくつかの場合には、科学文献から引き出され得、またはいくつかの他の場合には、コンピュータシミュレーションに基づいて計算され得る（例えば時間依存核形成モデル）。凝固データは、実施形態に応じて、曲線、数学的関係、またはルックアップテーブルの形態で提供され得る。しかし、他の実施形態が当てはまることがある。
【００５１】
図５は、ＫＧＴ曲線５００の形態をとる凝固データの第１の例を示す。この例に図示されているように、所与の材料について、この材料の溶融されたボクセルは、デンドライト状微細構造（ただし複数の結晶構造サイズ範囲のうちの１つにおいて特徴付けられる）に凝固し得る。
【００５２】
より具体的には、溶融されたボクセルの冷却速度に応じて、凝固されたボクセルは、それぞれ複数の曲線区分５０２、５０４、５０６、５０８の各々と関連する、複数の結晶構造サイズ範囲Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４のうちの１つの中の結晶構造サイズを有し得る。曲線区分５０２は一般に、曲線区分５０８よりも微細な結晶構造サイズ範囲と関連する。図５に示されている曲線区分の長さおよび数はさまざまでよく、曲線区分５０２、５０４、５０６、５０８は単なる例示である。
【００５３】
この具体例では、最終微細構造は凝固前面速度Ｒと結び付けられ得、したがって、冷却速度しきい値は、関係ＣＲ＝Ｒ・Ｇを使用して、レーザパルス形状によって生成される熱的勾配Ｇを、要される凝固前面速度Ｒに合わせて調整することによって取得され得る。
【００５４】
例として、最終微細構造が、結晶構造サイズ範囲Ｒ２よりも大きい範囲に具備される結晶構造サイズを有することが期待される場合、ＫＧＴ曲線５００上のターゲット点は、ＫＧＴ曲線５００に沿った、５１０のところに示されている曲線区分５０４の上限である。この場合、冷却速度しきい値は、溶融されたボクセルの冷却曲線（温度対時間）の、ＫＧＴ曲線５００とターゲット点５１０のところで交差する冷却速度である。したがって、溶融されたボクセルは、各溶融されたボクセルの冷却速度が冷却速度しきい値を上回るとき、そのような最終微細構造の形で凝固する。
【００５５】
ステップ４０６において、コンピュータ１１は、領域のボクセルに関連するレーザパルスシーケンスを決定することであって、各レーザパルスのパラメータが、対応するボクセル内の粉末を溶融するように適合され、ボクセルごとに、冷却速度しきい値を上回る冷却速度を達成する、決定することを、以前または後続のレーザパルスによる冷却によって、また加熱によって影響を及ぼされ得る、隣接するボクセルの温度を考慮に入れて行う。
【００５６】
いくつかの実施形態では、パラメータは一般に、レーザ源２８に、所与のエネルギー分布を有するレーザパルスを生成するように命令するのに使用される。パラメータの例は、パルス形状、パルス幅、パルス振幅、パルス周波数、パルスエネルギー、パワーランプアップパラメータ、パワーランプダウンパラメータなどを含む。
【００５７】
パルス形状は、複数のサブ形状を含んでよく、その場合、サブ形状の各々は、異なる持続時間、エネルギー、ランプアップまたはランプダウンなどを有することができる。例として、図６は、サブ形状６０２、６０４、６０６、６０８、および６１０を有するレーザパルス６００の例を示す。
【００５８】
この場合、サブ形状６０２は、第１の持続時間中に増加する傾斜を有し、サブ形状６０４は、第２の持続時間中に第１の振幅のところに第１の平坦域を有し、サブ形状６０６は、第３の持続時間中に第１の振幅よりも大きい第２の振幅のところに第２の平坦域を有し、サブ形状６０８は、第４の持続時間中に第２の振幅よりも大きい第３の振幅のところに第３の平坦域を有し、サブ形状６１０は、第５の持続時間中に減少する傾斜を有する。一例では、レーザパルス６００の合計持続時間は、０．２ｍｓから１０ｍｓの間で異なってよい。しかし、理解されるように、パルス形状、パルスパラメータ、または持続時間の他の適切な例が当てはまることがある。
【００５９】
いくつかの実施形態では、溶融されたボクセルが冷却し得る冷却速度が、コンピュータシミュレーションを通じて決定される。そのようなコンピュータシミュレーションは、多くの変数に応じて異なり得る。例として、そのような冷却速度は、貴殿の粉末材料の分類特性の中の、ボクセルサイズ、粉末の特性、粉末のレーザパルス吸収性、レーザパルスを生成するのに使用されるパラメータ、および所与のボクセルの周囲のもの、すなわち、熱的慣性を幾らかもたらし得る任意の隣接するボクセルの有無、そのような隣接するボクセルの各々と関連する温度、ベースプレート２０の影響（ベースプレート２０付近の熱吸収性は、溶融されたボクセルがベースプレート２０に対して相対的に高いところにあるときよりも高い）に応じて変わり得る。
【００６０】
これらの実施形態では、前述された変数（例えばボクセルサイズ、粉末の特性、任意の隣接するボクセルの有無）の大部分が知られている。
【００６１】
本開示において例示されているものなど、いくつかの場合には、そのような隣接するボクセルの各々と関連する温度が、所与の溶融されたボクセルと任意の隣接するボクセルとの間で許容される最大温度差を示す温度差許容範囲内にあるものとして固定される。したがって、温度差許容範囲を固定することによって、溶融されたボクセルの冷却は、その周囲のものとは無関係になり、したがって、所望される冷却速度をもたらすことのできるパラメータの値を求めることが残る。
【００６２】
熱力学の法則に従って、第１のボクセルが、（第１のパラメータを使用して生成された）より大きいエネルギーをもつ第１のレーザパルスで溶融され、第２のボクセルが、（第２のパラメータを使用して生成された）より低いエネルギーをもつ第２のレーザパルスで溶融され、第１および第２のボクセルが、同様の熱的環境下で互いに無関係である場合、第１のボクセルは典型的に、第２のボクセルのそれよりも高い温度で加熱されることが理解されよう。したがって、第１のボクセルは、その環境とのより大きい温度差を有し、したがって、第２のボクセルよりも速く冷却することになる。
【００６３】
この原理を使用すると、２つの無関係な溶融されたボクセルの場合、より大きいエネルギーをもつレーザパルスを示す第１のパラメータは一般に、溶融されたボクセルを、より低いエネルギーをもつレーザパルスを示す第２のパラメータよりも大きい冷却速度で冷却させることになる。
【００６４】
エネルギーパルスシーケンスは、各溶融されたボクセルからの熱伝達がシーケンスの他のエネルギーパルスを通じた粉末材料への熱入力とは無関係に決定され得ることを確実にするように、決定される。シーケンスは、時間および／または距離の点で、各溶融されたボクセルからの熱伝達が残りの溶融されたボクセルとは無関係にモデリングされ得ることを確実にするのに十分な間隔を、エネルギーパルス間に設けることを具備してよい。
【００６５】
溶融されたボクセルと隣接する材料との間の温度差は、凝固された材料のデンドライト間に形成された液膜のモルフォロジーを分断するのに十分なほど速い凝固前面速度、例えば１０-1ｍ／ｓを上回る凝固前面速度が達成されるようなものである。液膜のモルフォロジーを分断する結果、不連続の液膜が生じて、クラッキングの可能性を低減させると考えられている。歪みは凝固中に依然として存在するが、増加されたデンドライトコヒーレンシーがある。そのような速い凝固前面速度による、溶融された材料のこの凝固は、隣接する材料を予備加熱することによって凝固前面速度を例えば１０-4ｍ／ｓ未満に遅くし、その結果、液体の埋め戻しが生じて、クラックを修復することと対比され得る。
【００６６】
エネルギーパルスに使用されるパラメータは、溶融されたボクセルを形成するための粉末材料の加熱が、「伝導モード」において達成されるようなものである。伝導モード加熱では、エネルギーパルスのパワー密度が、粉末材料を溶融させるのに十分なほど高いが、材料の貫通は、熱が表面から下方に粉末材料内に伝導されることによって達成される。溶融されたボクセルの深さは、一部には、エネルギーパルスの長さおよびエネルギーパルスの粉末によって制御される。パワーが、溶融池深さに影響を与える主な要因であり、一方、露光の時間が、溶融池幅にさらに大きい影響を与える、ということが見いだされている。この伝導モードは、キーホール伝導モードと対比され得、それは従来使用されているものであり、この場合、パワー密度が、粉末材料を蒸発させるのに十分なほど大きい。蒸発する材料が、膨張するガスを生み出し、それが外向きに押し進んで、表面から下方に溶融されたボクセルの深さまでキーホールまたはトンネルを作製する。
【００６７】
伝導モードで稼働することの潜在的利点は、それが、物品の形成中に生成されたスプラッタ（splatter）および凝縮物（condensate）を低減し得るということである。キーホールモードで稼働する機械では、このスプラッタおよび凝縮物は、凝固中にガスナイフを使用して取り除かれ、引き込まれた粒子状材料はガス流からフィルタを使用して取り除かれる。そのようなフィルタは定期的な交換を要し、それは、フィルタ要素上の粒子が酸素雰囲気中にあるときに燃焼するおそれがあるので、危険な行為である。造形中に造形チャンバ内に残っている粒子状物質があればそれは、エネルギービームの通過に影響を及ぼすことがある。例えば、選択的レーザ溶融機械では、レーザ窓上に沈降する粒子が、レーザビームのレーザ窓内の通過に影響を及ぼすことがある。したがって、伝導モードで稼働することによってスプラッタおよび凝縮物を低減させることが、フィルタの稼働寿命を長くし、エネルギービームの造形チャンバ内の通過に対する粒子状物の影響を低減させることができる。
【００６８】
さらに、隣接する材料の予備加熱が回避される（望ましくない）ので、造形の終わりのクールダウン期間が低減され得、それによって造形間のより速い所要時間を可能にしており、かつ／または粉末ケーク（powder cake）が回避され得る。さらに、より低い温度での稼働は、粉末材料および／または凝固された材料が、造形チャンバ内に残っている酸素があればそれと反応する可能性を低減させ得る。
【００６９】
伝導モードではそれほど／全く材料が蒸発されないので、溶融中に粉末材料からそれほど／全く酸素が放出されることがなく、それによって、粉末バッチの寿命を増加させる可能性がある。
【００７０】
図７は、期待される例示的冷却曲線７０２−７１４、および図５のＫＧＴ曲線５００から取得された凝固曲線７００を示す。理解しやすくするために、ＫＧＴ曲線５００の（異なる結晶構造サイズ範囲Ｒ１〜Ｒ４と関連する）区分５０２、５０４、５０６、および５０８が、図７に、凝固曲線７００と関連付けて図示されている。
【００７１】
例として、期待される冷却曲線７０２、７０４、７０６、７０８、７１０、および７１２は、同一パラメータを使用して生成されたレーザパルスを使用して溶融されたときの同一ボクセル内の異なる凝固位置と関連する。所与のボクセルごとに均一な微細構造を生み出すために、結晶構造サイズ範囲Ｒ１を有する微細構造が所望される場合、ボクセル内の任意の点における冷却速度は、凝固曲線７００に沿った曲線区分５０２に入るものが選ばれ得る。
【００７２】
理解されるように、冷却曲線７０４および７１４は、所与の温度差許容範囲の場合の２つの異なるパラメータと関連する。冷却曲線７０４は（曲線７０２および曲線７０６〜７１２とともに）、第１のパラメータに基づいて生成され、冷却曲線７１４は、第１のパラメータとは異なる第２のパラメータに基づいて生成されたものである。図示されているように、冷却曲線７０４および７１４は凝固曲線７００と、凝固曲線７００に沿った異なる位置のところで、また異なる冷却速度のところで交差する。より具体的には、この例では、結晶構造サイズ範囲Ｒ１内の結晶構造サイズを有する微細構造が所望される場合、コンピュータ１１は、冷却曲線７０４と関連する第１のパラメータを決定する。実際、冷却曲線７０４は凝固曲線７００と、ターゲット点５１２の上で交差し、冷却速度しきい値を上回る冷却速度を有し、冷却曲線７１４の場合はそうではない。理解されるように、所与のボクセルを溶融できるレーザパルスを生成するのに使用可能なパラメータは、溶融されたボクセルが、冷却速度しきい値を上回る冷却速度で冷却することを可能にするパラメータとして見いだされる（ステップ４０４を参照）。
【００７３】
所与の溶融されたボクセルが、冷却速度しきい値を上回る冷却速度で冷却するような正しいパラメータを見いだすことは、期待される微細構造を有する凝固されたボクセルをもたらすのに十分ではないことがある。
【００７４】
実際、従来のラスタ経路を使用すると、上で述べられた、最大温度差に関する条件が常に満たされるとは限らず、それによって、正しいパラメータが使用されているにもかかわらず、所与の溶融されたボクセルの冷却速度が冷却速度しきい値を下回り、したがって、期待される微細構造とは異なる微細構造を有する凝固されたボクセルをもたらす場合がある、ということが見いだされた。
【００７５】
そのような状況を回避するために、コンピュータ１１は、カスタマイズされたレーザパルスシーケンスを決定することができる。そのようなレーザパルスシーケンスは、複数物１４の連続したボクセルが、対応するパラメータを使用して生成されたレーザパルスのうちの対応するものを使用して溶融される、順序およびスピードを示す。
【００７６】
したがって、レーザパルスシーケンスは、複数物１４の溶融されたボクセルを期待される微細構造に凝固させるために、任意の隣接するボクセルが温度差許容範囲内の温度を有する間に、各溶融されたボクセルが冷却速度しきい値を上回る冷却速度で冷却することを可能にするように決定される。
【００７７】
ステップ４０８において、コンピュータ１１は、第１のレーザパルスシーケンスに基づいて処理命令を生成する。
【００７８】
言うまでもなく、上で述べられたように、方法４００は、物品１４の各スライスを期待される微細構造の形で製造する際に使用する処理命令を生成すべく、連続して実施されるかまたは一般化され得る。
【００７９】
図８は、ソフトウェアコンポーネントとハードウェアコンポーネントの組合せとしてのコンピュータ１１の概略図を示す。この例では、コンピュータ１１は、（「処理ユニット８０２」と呼ばれる）１つまたは複数の処理ユニット、および処理ユニット８０２に１つまたは複数の入力に基づいて１つまたは複数の出力を生成させるように構成されたプログラム命令８０６がその上に記憶された（「メモリ８０４」と呼ばれる）１つまたは複数のコンピュータ可読メモリを備えて、図示されている。入力は、期待される微細構造、ボクセル複数物の形状、ボクセルサイズ、粉末の特性、粉末のレーザパルス吸収性、潜在的パラメータ（potential parameter）、複数の異なる材料に関する凝固データ、しきい値などを表す、１つまたは複数の信号を具備してよい。出力は、決定されたパラメータ、決定されたラスタデータ、生成された処理命令などを表す１つまたは複数の信号を具備してよい。
【００８０】
理解されるように、いくつかの実施形態では、コンピュータ１１は、図１に示されているＬＳＭシステム１０の一部として提供され得る。しかし、他の実施形態では、コンピュータ１１は、ＬＳＭシステム１０とは別に提供され得る。
【００８１】
処理ユニット８０２は、コンピュータにより実装される方法３００を実装するようにステップのシリーズを実施させるように構成された、任意の適切なデバイスを具備してよく、それによって、命令８０６は、コンピュータ１１または他のプログラマブル装置によって実行されると、本明細書において説明される方法に明記された機能／動作／ステップを実行させ得るようになっている。処理ユニット８０２は、例えば、任意のタイプの汎用マイクロプロセッサもしくはマイクロコントローラ、デジタル信号処理（ＤＳＰ）プロセッサ、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、リコンフィギュラブルプロセッサ、他の適切にプログラムされるかもしくはプログラマブルな論理回路、またはそれらの任意の組合せを具備してよい。
【００８２】
メモリ８０４は、任意の適切な、知られたまたは他の機械可読記憶媒体を具備してよい。メモリ８０４は、例えば、限定されないが、電子、磁気、光学、電磁、赤外線、もしくは半導体のシステム、装置、もしくはデバイス、または前述のものの任意の適切な組合せなどの、非一時的コンピュータ可読記憶媒体を具備してよい。メモリ８０４は、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、コンパクトディスク読出し専用メモリ（ＣＤＲＯＭ）、電気光学メモリ、磁気光学メモリ、消去可能プログラマブル読出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）および電気的消去可能プログラマブル読出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、強誘電体ＲＡＭ（ＦＲＡＭ）などのような、デバイスの内部または外部に位置付けられる任意のタイプのコンピュータメモリの適切な組合せを含んでよい。メモリ８０４は、処理ユニット８０２によって実行可能な機械可読命令を取出し可能に記憶するのに適切な任意の記憶手段（例えばデバイス）を具備してよい。
【００８３】
本明細書において説明される各コンピュータプログラムは、コンピュータ１１とやりとりするための、高レベルの手続き型もしくはオブジェクト指向のプログラミング言語もしくはスクリプト言語、またはそれらの組合せとして実装されてよい。あるいは、プログラムは、アセンブリ言語または機械語として実装されてもよい。言語は、コンパイラ型言語でもよく、インタプリタ型言語でもよい。コンピュータ実行可能命令は、１つまたは複数のコンピュータまたは他のデバイスによって実行されるプログラムモジュールを含む、多くの形態をとってよい。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実施するか、または特定の抽象データ型を実装する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。典型的には、プログラムモジュールの機能性は、さまざまな実施形態において所望されるように、組み合わされてもよく、分散されてもよい。
【００８４】
図９は、時間依存核形成曲線９００の形態をとる凝固データの第２の例を示す。図示されているように、所与の材料、この場合は合金Ａｌ−Ｔｉについて、この合金の溶融されたボクセルは、最初に、３つの異なる結晶構造、すなわち、相α−Ａｌ、相Ａｌ3Ｔｉ−Ｄ０22、および相Ａｌ3Ｔｉ−Ｌ１2のうちの１つを有する微細構造に凝固し得る。
【００８５】
この具体例では、冷却速度しきい値の決定は、相α−Ａｌ、Ａｌ3Ｔｉ−Ｄ０22、Ａｌ3Ｔｉ−Ｌ１2間の接点と関連する、ＣＣＴ曲線４００に沿った交点９０２および９０４を決定することを含む。
【００８６】
例えば、最終微細構造内になす第一相が相Ａｌ3Ｔｉ−Ｌ１2であることが期待される場合、ＣＣＴ曲線９００上のターゲットインターバル（target interval）は、Ａｌ3Ｔｉ−Ｌ１2曲線に沿っており、かつ交点９０２と交点９０４との間にある。この場合、第１の冷却速度しきい値は、溶融されたボクセルの冷却曲線（温度対時間）の、ＣＣＴ曲線９００と交点９０４のところで交差する冷却速度であり、第２の冷却速度しきい値は、溶融されたボクセルの冷却曲線（温度対時間）の、ＣＣＴ曲線９００と交点９０２のところで交差する冷却速度である。したがって、溶融されたボクセルは、各溶融されたボクセルの冷却速度が第１の冷却速度を上回りかつ第２の冷却速度を下回るとき、そのような最終微細構造の形で凝固する。すなわち、所与の溶融されたボクセルの冷却曲線がＣＣＴ曲線と、２つの交点９０２と交点９０４との間で交差するとき、である。
【００８７】
この具体的実施形態では、ＣＣＴ曲線９００は、時間依存核形成モデルなどの式を解くことによるコンピュータシミュレーションを通じて取得されている。他の実施形態が当てはまることがある。
【００８８】
図１０は、第１の処理マップ１０００の形態をとる凝固データの第３の例を示す。図示されているように、処理マップ１０００、またはその中に収容されたデータは、コンピュータ１１によって、所与の材料の異なる微細構造と関連する冷却速度しきい値を決定するのに使用され得る。第１の処理マップ１０００は、ＫＧＴ曲線ならびに他の数値的に計算された曲線を含む。より具体的には、第１の処理マップ１０００は、異なる結晶構造サイズをもつデンドライト状微細構造またはセル状微細構造を有する微細構造と関連する臨界冷却速度を決定する助けとなることができる。
【００８９】
図１１は、第２の処理マップ１１００の形態をとる凝固データの第４の例を示す。図示されているように、処理マップ１１００、およびその中に収容されたデータは、コンピュータ１１によって、異なる微細構造と関連する冷却速度しきい値を決定するのに使用され得る。第２の処理マップ１１００は、デンドライト状微細構造をセル状微細構造と区別するＫＧＴ曲線、および柱状微細構造と等軸微細構造とを区別するＨｕｎｔの基準を含む。さらに具体的には、第２の処理マップ１１００は、一定粒径等値線（点線を参照）を示す。
【００９０】
凝固データは、他のどんな適切な処理マップを含んでもよい。
【００９１】
所与のボクセル複数物のレーザ走査中にパラメータおよびラスタデータを変えることによって、第１の微細構造に凝固された部分を有するとともに第２の微細構造に凝固された第２の部分を有するスライスが製造され得ることが、さらに見いだされた。
【００９２】
例として、図１２Ａは、実施形態による、例示的スライス１２００の斜視図を示す。図示されているように、スライス１２００は、第１の微細構造１２０４に凝固された第１の部分１２０２、および第２の微細構造１２０８に凝固された第２の部分１２０６を有する。この具体例では、第１の微細構造１２０４はデンドライト状微細構造であり、一方、第２の微細構造１２０８はセル状微細構造である。しかし、他の実施形態が当てはまることがある。例として、応用例に応じて、スライスは、２つ以上の異なる微細構造に凝固された２つ以上の部分を含むことができる。
【００９３】
図１２Ｂは、互いに隣接する、所与の複数物のボクセルの第１の領域１２１０およびその所与の複数物のボクセルの第２の領域１２２０を示す。この例では、第１の領域１２１０は、第１のレーザパルスシーケンスに従って生成されたレーザパルスでレーザ走査される。第１のレーザパルスシーケンスは、連続したレーザパルスの各々を生成するのに使用されるパラメータのシリーズ、および２つの連続したレーザパルスの各々間の時間遅延をもつ、図１２Ｃの１２１２に示されているものなどの、第１のラスタ経路を示す。同様に、第２の領域１２２０は、第２のレーザパルスシーケンスに従って生成されたレーザパルスでレーザ走査される。第２のレーザパルスシーケンスは、連続したレーザパルスの各々を生成するのに使用されるパラメータのシリーズ、および２つの連続したレーザパルスの各々間の時間遅延をもつ、図１２Ｄの１２１４に示されているものなどの、第２のラスタ経路を示す。
【００９４】
いくつかの実施形態では、方法４００を使用して生成される処理命令は、第１のレーザパルスシーケンスと第２のレーザパルスシーケンスの両方を含む。例として、方法３００は、ボクセルの第２の領域に関する材料の第２の微細構造についての通知を受領するステップであって、第２の微細構造が、凝固データに基づく第２の冷却速度しきい値に関連する、受領するステップと、第２の領域のボクセルに関連する第２のレーザパルスシーケンスを決定することであって、各レーザパルスのパラメータが、ボクセルごとに、第２の冷却速度しきい値を上回る冷却速度を達成するように適合される、決定することを、以前または後続のレーザパルスによる冷却によって、また加熱によって影響を及ぼされ得る、隣接するボクセルの温度を考慮に入れて行うステップとを含むことができる。この場合、処理命令は、第１および第２のレーザパルスシーケンスに基づく。
【００９５】
いくつかの実施形態では、ボクセル複数物の領域の連続したボクセルが溶融されるシーケンスが、予め定められる。シーケンスは、コンピュータ１１によって課されてもよく、ユーザ定義されてもよい。シーケンスは、ロウごと（row-per-row）またはカラムごと（column-per-column）に、内向き螺旋または外向き螺旋に、連続または不連続に設定され得る。いくつかの他の実施形態では、ボクセル複数物の連続したボクセルが溶融されるシーケンスは、疑似ランダムまたはランダムである。他の実施形態が当てはまることがある。
【００９６】
図１３は、図１のＳＬＭシステム１０内に依然として見られる付加製造された物品１３００の断面図を示す。図示されているように、物品１３００は、ベースプレート１３２０上に設けられる。物品１３００は、上で説明された方法を使用して製造され、したがってそれは、積み重ねて融解された複数のスライス１３０２を有する。
【００９７】
この例では、複数のスライス１３０２のうちの少なくとも１つが、第１の微細構造を含む部品１３０４、および第２の微細構造を含む支持構造１３０６を有する。第１および第２の微細構造は、部品１３０４が、支持構造１３０６の強度よりも大きい強度を有するように選ばれる。このようにして、物品１３００が製造されると、部品１３０４の製造後にそれから支持構造１３０６が比較的容易に取り外され得る。そのような支持構造は、部品の１つまたは複数の突出部が、製造中にＳＬＭシステム１０内部の許容範囲を越えて部品を破断または変形させるおそれのある状況において適している。
【００９８】
理解されるように、積み重ねて融解された複数のスライスを有する付加製造された物品は、第１の微細構造を含む第１の部分、および第２の微細構造を含む第２の部分を有する、複数のスライスのうちの少なくとも１つを有することができる。いくつかの実施形態では、複数の第１の部分が、物品の複数のスライスのうちの重合わせされたもの同士の間に延在し、複数の第２の部分が、物品の複数のスライスのうちの重合わせされたもの同士の間に延在する。いくつかの他の実施形態では、複数の第１の部分は、複数の第２の部分の強度よりも大きい強度を有する。
【００９９】
別の実施形態では、ラスタデータの決定の際に、残留応力モデリングコードが使用される。このようにして、任意の所与の冷却速度について、残留応力モデリングの式を使用して残留応力場が計算され得る。この実施形態では、ボクセルのうちのどれが次に溶融されることになるかを温度差許容範囲の基準を使用して決める代わりに、残留応力の値が使用される。例として、１００ＭＰａである。
【０１００】
図１４は、物品の処理命令において使用され得るパラメータを決定するためのフローチャートの例を示す。
【０１０１】
ステップ１４０２において、コンピュータ１１が、微細構造についての通知を受領する。微細構造は、凝固データに基づく冷却速度しきい値に関連する。
【０１０２】
ステップ１４０４において、コンピュータ１１は、ボクセル複数物の各ボクセル内の粉末を溶融するのに使用されるレーザパルスの各々と関連するパラメータを含む、レーザパルスシーケンスを決定することであって、各エネルギーパルスのパラメータが、対応するボクセル内の粉末を溶融するように適合される、決定することを行う。モデル化を開始するために、ステップ１４０４では初期シーケンスおよび初期パラメータが使用されてよい。
【０１０３】
いくつかの実施形態では、初期シーケンスは、ジグザグシーケンスである。いくつかの他の実施形態では、初期パラメータは、可能なより速いラスタスピードを可能にするように、比較的小さいパルス幅および比較的高いエネルギーを有するレーザパルスを生成するのに使用可能なパラメータである。
【０１０４】
ステップ１４０６において、コンピュータ１１は、複数物の連続したボクセルに向けられたエネルギーパルスシーケンスによってボクセル複数物が加熱および溶融されているところをモデル化する。そのようなモデル化では、以前または後続のエネルギーパルスによる冷却によって、また加熱によって影響を及ぼされ得る、隣接するボクセルの温度を考慮に入れる。モデル化は、各溶融されたボクセルの熱的および機械的性質が計算に入れられる有限要素解析に基づいてよい。
【０１０５】
ステップ１４０８において、コンピュータ１１は、ステップ１４０６において実施されたモデル化が、所与の基準による温度差許容範囲要件を満足させるか否かを決定する。モデル化が温度差許容範囲要件を満足させない場合、コンピュータ１１はステップ１４０４に戻り、パラメータを含む別のレーザパルスシーケンスを決定し、以下同様である。モデル化が温度差許容範囲要件を満足させる場合、コンピュータ１１はステップ１４１０に移る。
【０１０６】
ステップ１４１０において、コンピュータ１１は、ステップ１４０６において実施されたモデル化に基づいて、各溶融されたボクセルが冷却速度しきい値を上回る冷却速度で冷却するか否かを決定する。所与の数の溶融されたボクセル（例えば１つ）の冷却速度が、冷却速度しきい値を下回ることが見いだされた場合、コンピュータ１１は、ステップ１４０４に戻り、パラメータを含む別のレーザパルスシーケンスを決定し、以下同様である。そうでない場合は、コンピュータ１１は、ステップ１４１２に移り、そこで、最後のシーケンスに基づいて処理命令が生成される。
【０１０７】
フローチャート１４００内で反復が行われるとき、シーケンスは、ジグザグパターンから疑似ランダムパターン、ランダムパターンに移行することができ、ラスタスピードは、第１のラスタスピードから、第１のラスタスピードよりも小さい第２のラスタスピードに移行することができ、以下同様であり、パラメータは、第１のエネルギーを示す第１のパラメータから、第１のエネルギーよりも小さい第２のエネルギーを示す第２のパラメータに移行することができ、以下同様である。これらの反復の目的は、所望される微細構造をもたらすことのできる、可能な限り最も速いシーケンスを提供することである。
【０１０８】
応用例に応じて、遺伝的アルゴリズム、パターン検索、焼きなまし法などの大域的最適化方法が実施され得る。
【０１０９】
図示されているように、初期パラメータや初期ラスタ経路などの初期入力が決定される。いくつかの実施形態では、初期パラメータは、可能な最短のパルス幅および可能な最高のエネルギーを有するレーザパルスを生成するものが選ばれ、一方、初期ラスタ経路は、ジグザグ形態をとるものが選ばれる。初期パラメータおよび初期ラスタ経路が決定されると、モデル化が実施される。条件１４０８および１４１０が満たされない場合、コンピュータ１１は、初期パラメータおよび／または初期ラスタ経路を修正し、修正されたパラメータおよびラスタ経路を用いてモデル化の別の反復をすることができ、全ての条件１４０８および１４１０が満たされるまで以下同様である。条件１４０８および１４１０が満たされると、コンピュータ１１は、最新のパラメータおよびラスタ経路に基づいて処理命令を生成する。
【０１１０】
ＳＬＭシステム１０を使用して粉末による所与の材料中で立体物品を製造する際に使用する処理命令を生成する、コンピュータにより実装される方法についても説明される。この方法は、ボクセル複数物を含む物品のモデルを取得するステップと、ボクセルの第１の領域に関する材料の第１の微細構造についての通知を受領することであって、第１の微細構造が、凝固データに基づく第１の降伏応力しきい値に関連する、受領することと、第１の領域のボクセルに関連する第１のエネルギーパルスシーケンスを決定することであって、各エネルギーパルスのパラメータが、対応するボクセル内の粉末を溶融するように、かつボクセルごとに、第１の降伏応力しきい値を上回るかまたは下回る、関連する降伏応力を有する微細構造を達成するように適合される、決定することを、以前または後続のエネルギーパルスによる溶融によって、また凝固によって影響を及ぼされ得る、隣接するボクセルの微細構造および関連する降伏応力を考慮に入れて行うことと、第１のエネルギーパルスシーケンスに基づいて処理命令を生成することとを有する。
【０１１１】
理解され得るように、上で説明され、図示された例は、単なる例示であることが意図される。例として、前述された例では、パルス状波レーザ源を用いた選択的レーザ溶融システムを使用している。しかし、本明細書において説明された方法およびシステムは、レーザパルスを提供するためのオン−オフキーイングを備えた、連続波レーザ源を用いた任意の選択的レーザ溶融システムに合わせて、または任意の電子ビーム溶融システムに合わせて、適合され得ることが意図される。また、任意の適切な材料が使用され得る。例として、ある例示的粉末は、アルミニウム合金とすることができる。しかし、他の実施形態では他の適切なタイプの粉末が施与され得ることが理解されよう。例として、粉末は、ステンレス鋼、ニッケル系合金、チタン合金などを含んでよい。その範囲は、添付された特許請求の範囲によって示される。理解され得るように、上で説明され、図示された例は、単なる例示であることが意図される。その範囲は、添付された特許請求の範囲によって示される。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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